GMC48鋼軌打磨車液壓走行控制技術(shù)研究

馮平書

【摘 要】針對(duì)GMC48鋼軌打磨車的液壓走行系統(tǒng)，介紹了閉式液壓系統(tǒng)的液壓傳動(dòng)原理，分析了液壓走行電氣控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。重點(diǎn)研究分析了液壓走行低恒速與同步控制技術(shù)：基于PID控制器的速度閉環(huán)控制，以及基于速度外環(huán)與壓力內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)PID控制策略。最終實(shí)現(xiàn)了GMC48鋼軌打磨車打磨作業(yè)速度控制精度高、穩(wěn)定性好的目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】鋼軌打磨車;液壓走行;同步;PID控制器

中圖分類號(hào)： U216.65文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）10-0027-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.008

Research on Hydraulic Travel Control Technology of GMC48 Rail Grinder

FENG Ping-shu

（CRCC High-Tech Equipment Corporation Limited， Kunming Yunnan 650215， China）

【Abstract】Aiming at the hydraulic traveling system of GMC48 rail grinder， introduces the hydraulic transmission principle of closed hydraulic system，and analyzes the composition and structure of the hydraulic travel electric control system. Mainly analyzes the low constant speed and synchronous control technology of hydraulic traveling：speed closed loop control based on PID controller，and double closed loop PID control strategy based on speed outer loop and pressure inner loop.Finally，the GMC48 rail grinder has achieved the goal of high speed control accuracy and good stability.

【Key words】Rail grinder;Hydraulic travel;Synchronous;PID controller

0 前言

隨著我國(guó)鐵路越來(lái)越重視鋼軌的維護(hù)，鋼軌打磨車的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。鋼軌打磨車可以對(duì)鋼軌進(jìn)行修復(fù)性打磨，有效地消除鋼軌表面的不平順、波浪型磨耗、鋼軌肥邊等病害。影響打磨車打磨效果的因素很多，其中作業(yè)走行速度的穩(wěn)定性是尤其關(guān)鍵的。一般來(lái)說(shuō)，打磨車的作業(yè)速度范圍是3-16Km/h，最佳打磨速度為8-10Km/h，作業(yè)走行速度的精度和穩(wěn)定性控制是鋼軌打磨車控制技術(shù)中最為核心的部分之一。

大型養(yǎng)路機(jī)械液壓走行系統(tǒng)一般有兩種，一種是采用閉式液壓驅(qū)動(dòng)的走行系統(tǒng)，另一種是采用液力變矩器驅(qū)動(dòng)的走行系統(tǒng)。GMC48鋼軌打磨車是中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司研制的一臺(tái)48頭鋼軌打磨車，其采用的是閉式液壓驅(qū)動(dòng)方式，這種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是走行運(yùn)行平穩(wěn)，尤其適合于走行精度要求高的場(chǎng)合。本文基于此液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，介紹了GMC48鋼軌打磨車走行控制的液壓、電氣組成，以及作業(yè)低恒速走行和同步控制的算法策略。

1 走行液壓系統(tǒng)

GMC48鋼軌打磨車由A車、C車、B車三車固定連掛組成，如圖1所示。其中A/B車為動(dòng)力車，C車為從動(dòng)車。走行液壓系統(tǒng)由4個(gè)A4VG250的柱塞泵驅(qū)動(dòng)8個(gè)A6VM215的柱塞馬達(dá)，A車和B車的8根車軸為動(dòng)力軸，分別由8個(gè)柱塞馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。C車的4根軸為從動(dòng)軸。2個(gè)柱塞泵和4個(gè)柱塞馬達(dá)組成一套閉式液壓回路。整車走行由兩套閉式液壓回路同時(shí)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)閉式液壓回路中都設(shè)置有100bar和150bar的反向制動(dòng)閥，防止在長(zhǎng)大下坡時(shí)出現(xiàn)反拖工況。

閉式液壓走行傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示

通過(guò)閉式液壓走行傳動(dòng)系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞到車軸齒輪箱，經(jīng)過(guò)齒輪箱的減速后帶動(dòng)車輪運(yùn)轉(zhuǎn)，以驅(qū)動(dòng)打磨車的走行。其中，變量泵和變量馬達(dá)組成的閉式液壓系統(tǒng)控制了壓力、流量和方向。變量泵是斜盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的軸向柱塞泵，通過(guò)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)斜盤的角度，可實(shí)現(xiàn)流量的無(wú)級(jí)調(diào)速，內(nèi)部帶有比例電磁鐵，通過(guò)EP電氣控制。當(dāng)斜盤通過(guò)中位時(shí)，液壓油流動(dòng)方向會(huì)平穩(wěn)改變。變量馬達(dá)采用斜軸式設(shè)計(jì)的軸向錐形柱塞馬達(dá)，其排量在最小和最大之間無(wú)級(jí)可調(diào)。馬達(dá)內(nèi)部帶有比例電磁鐵，通過(guò)EP電氣控制。

2 液壓走行電氣控制系統(tǒng)組成

A、B兩個(gè)動(dòng)力車分別配置了一套力士樂(lè)RC控制器，該控制器是力士樂(lè)專門為走行機(jī)械而開發(fā)的一款控制器。RC28-14/30控制器提供了28個(gè)比例電磁鐵輸出（PWM）、14個(gè)數(shù)字量輸出，用于控制變量泵和變量馬達(dá)的比例電磁鐵，以及其他功能的一些電磁閥;75個(gè)輸入通道（包括數(shù)字輸入、模擬輸入、電阻輸入、頻率輸入）可用于接入各種輸入信號(hào)，比如壓力信號(hào)、馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器的頻率信號(hào)等;4個(gè)CAN通信接口，用于與其他控制器或CAN設(shè)備通信、也可用于調(diào)試。

RC控制器主要負(fù)責(zé)走行控制程序的執(zhí)行，同時(shí)通過(guò)CAN總線與整車的主控PLC控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。主控PLC給RC控制器下達(dá)與走行相關(guān)的指令（設(shè)定速度、方向、制動(dòng)等），RC控制器將走行系統(tǒng)的一些反饋信息、報(bào)警信息等傳給主控PLC，主控PLC將這些信息處理后再傳到上位顯示屏進(jìn)行顯示。

3 液壓走行低恒速與同步控制策略

GMC48鋼軌打磨車A/B動(dòng)力車都可以單獨(dú)進(jìn)行牽引，也可以同時(shí)牽引，正常打磨工況下，A、B車發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)。打磨車作業(yè)走行速度范圍為3-16Km/h，最佳打磨速度8-10Km/h。為了提高打磨車作業(yè)效果，液壓走行的控制目標(biāo)是：作業(yè)走行精度在±0.5Km/h以內(nèi)、雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)無(wú)反拖、速度響應(yīng)快且無(wú)明顯過(guò)沖、速度穩(wěn)定無(wú)明顯波動(dòng)。

3.1 低恒速走行控制

通過(guò)走行液壓系統(tǒng)的分析可以看出，打磨車的走行速度控制是通過(guò)控制變量泵和變量馬達(dá)的排量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而泵和馬達(dá)的排量又是通過(guò)控制比例電磁鐵的電流從而控制斜盤的偏轉(zhuǎn)角度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。GMC48打磨車所選的泵和馬達(dá)的比例閥EP控制電流都是200mA-600mA，對(duì)應(yīng)泵和馬達(dá)的最小和最大排量。在作業(yè)走行工況下，變量馬達(dá)固定輸出最大排量，即輸出給馬達(dá)的比例閥600mA的電流。然后通過(guò)控制變量泵的排量來(lái)控制走行速度。低恒速控制以速度為控制對(duì)象，各個(gè)馬達(dá)的速度傳感器采集的速度信號(hào)進(jìn)行加權(quán)、濾波計(jì)算后作為速度反饋值，作PID算法處理，PID閉環(huán)控制計(jì)算出變量泵排量對(duì)應(yīng)的比例閥控制電流值。

在PID控制器中，比例系數(shù)成比例的反應(yīng)系統(tǒng)偏差，其大小決定了系統(tǒng)響應(yīng)的靈敏度;積分環(huán)節(jié)的主要作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差;微分環(huán)節(jié)能夠反應(yīng)系統(tǒng)偏差的變化趨勢(shì)。通過(guò)反復(fù)不斷地調(diào)節(jié)PID參數(shù)，使得參數(shù)與實(shí)際系統(tǒng)的特性達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，從而得到速度調(diào)節(jié)的理想曲線，如圖4所示。

3.2 同步控制

對(duì)于分散動(dòng)力設(shè)計(jì)的液壓走行方式，需要進(jìn)行同步控制，GMC48鋼軌打磨車有兩個(gè)動(dòng)力包，A、B車同時(shí)牽引時(shí)，采取一主一從的同步控制方式;主從的設(shè)定與整車控制權(quán)相關(guān)，獲取控制權(quán)的一邊設(shè)定為主車，而另外一邊設(shè)定為從車。在主車的控制程序中，做速度的閉環(huán)PID控制算法;從車則做跟隨控制，在速度PID算法的基礎(chǔ)上再以兩車液壓走行回路AB口（高低壓側(cè)）的壓力差值做一次PID閉環(huán)控制，即從車進(jìn)行雙閉環(huán)PID算法控制。如圖5所示

圖中以速度PID算法作為外環(huán)，以高低壓側(cè)的壓力差值PID算法作為內(nèi)環(huán)，從而構(gòu)成雙閉環(huán)PID控制。其中內(nèi)環(huán)的PID控制器以壓力差值作為反饋值，輸出的調(diào)節(jié)量作為外環(huán)速度反饋的修正系數(shù)。從而實(shí)現(xiàn)從車在速度跟隨的同時(shí)，壓力也同步跟隨。有效地消除A、B車出現(xiàn)的反拖狀況，也保證了速度的精度和穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

GMC48鋼軌打磨車已經(jīng)完成樣機(jī)試制，并已通過(guò)出廠檢驗(yàn)，該液壓走行控制系統(tǒng)、控制算法策略已經(jīng)在此車上進(jìn)行試驗(yàn)并得到了充分驗(yàn)證，實(shí)踐證明其控制性能優(yōu)越，對(duì)打磨車走行速度控制精度高，穩(wěn)定性好。該項(xiàng)技術(shù)的突破為鋼軌打磨車國(guó)產(chǎn)化提供了技術(shù)支撐。

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